Komplette Mikroprozessor-basierte Schutzlösung für große Generatoren

1. Übersicht

Mit der Entwicklung von Energiesystemen in Richtung höherer Parameter, größerer Kapazitäten und komplexerer Netzaufbauten ist die sichere und stabile Betriebsführung von Erzeugern entscheidend für die Gesamtreliabilität des Netzes. Traditionelle Relais-Schutzeinrichtungen stoßen bei der Bewältigung komplexer interner Generatorfehler auf Herausforderungen wie Blindschichten und unzureichende Empfindlichkeit. Diese Lösung nutzt fortschrittliche mikroprozessorbasierte Schutztechnologien, integriert Informationen aus mehreren Quellen und intelligente Algorithmen, um ein schnelles, zuverlässiges und umfassendes Schutzsystem für große Generatoren (z.B. Dampf-, Kern- und Wasserkraftwerke) bereitzustellen. Ziel ist es, Schutzblindschichten vollständig zu beseitigen und die Sicherheit der Energieerzeugungsanlagen zu gewährleisten.

2. Kernherausforderungen

Große Generatoren sind während des Betriebs mehreren internen Fehlern ausgesetzt, darunter:

• ​Statorwicklungsfehler: Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüsse, Spulen-zu-Spulen-Kurzschlüsse und Erdungsfehler. Insbesondere Spulen-zu-Spulen-Kurzschlüsse zeigen anfänglich geringe Fehlerströme, was sie mit traditionellen transversalen Differentialschutzgeräten wegen innewohnender Blindschichten schwer zu erkennen macht.
• ​Rotorkreisfehler: Einpunkterdung, Zwei-Punkte-Erdung und offene oder Kurzschlüsse im Anregungskreis. Während eine Einpunkterdung den Betrieb fortsetzen lässt, kann ihr Fortschritt zu einer Zwei-Punkte-Erdung magnetische Asymmetrie und starke Vibrationen des Aggregats verursachen.
• ​Abnormale Betriebsbedingungen: Gegenstrom, Entmagnetisierung, Übermagnetisierung, Überspannung und Frequenzanomalien. Obwohl diese Bedingungen keine sofortigen Fehler sind, können sie den Generator schwer beschädigen oder die Netzstabilität gefährden.

3. Ausführliche Lösung

Unsere mikroprozessorbasierte Schutzlösung verwendet eine hierarchisch verteilte Architektur. Das Kernschutzrelais kombiniert eine robuste Hardware-Verarbeitungsplattform mit reifen Schutzzalgorithmen, wie unten detailliert beschrieben:

3.1 Für Spulen-zu-Spulen-Kurzschlüsse: Mehrkriterieller Komposit-Schutz

Um die Unempfindlichkeit des traditionellen transversalen Differentialschutzes gegenüber Spulen-zu-Spulen-Kurzschlüssen innerhalb derselben Phase zu beheben, setzt diese Lösung einen mehrkriteriellen Fusionsentscheidungsalgorithmus ein, der die Erkennungsreliabilität und -empfindlichkeit erheblich verbessert.

• ​Technische Prinzipien:
• Negativsequenz-Leistungsrichtungskriterium: Überwacht den negativen Sequenzstrom und die Spannung am Generatoranschluss, um die Richtung der negativen Sequenzleistung zu berechnen. Interne asymmetrische Fehler (z.B. Spulen-zu-Spulen-Kurzschlüsse) erzeugen eine negative Sequenzquelle, wobei die Leistungsrichtung vom Generator zum System fließt, was eine genaue interne Fehlererkennung ermöglicht.
• Änderungskriterium der Drittharmonischen Spannung: Verfolgt das Amplitudenverhältnis und die Phasendifferenz zwischen der neutralen und terminalen Drittharmonischen Spannung. Spulen-zu-Spulen-Kurzschlüsse stören das inhärente Verteilungsmuster der Drittharmonischen Spannungen, auf das dieses Kriterium sehr empfindlich reagiert.
• Kriterium der Verschiebungsspannung des Neutralpunkts: Dient als Hilfsmaßnahme zur Verbesserung der Zuverlässigkeit.
• ​Leistungsmerkmale:
• Hohe Empfindlichkeit: Fähig, geringfügige Spulen-zu-Spulen-Kurzschlüsse bis hin zu 0,5 % zu erkennen.
• Schnelle Aktion: Vollständige Aktion unter 20 ms, was den Fehlerschaden erheblich begrenzt.
• Hohe Zuverlässigkeit: Mehrere Kriterien arbeiten entweder im Wechselspiel oder parallel, um Fehlfunktionen zu verhindern und das Ausbleiben der Aktion zu vermeiden.
• ​Fallstudie: Nach der Implementierung in einem 500-MW-Kohlekraftwerk erreichte die Lösung eine Empfindlichkeit von 98 % bei der Erkennung von Spulen-zu-Spulen-Kurzschlägen und verhinderte erfolgreich schwere Verbrennungsunfälle durch geringfügige Isolationsdefekte.

3.2 Für 100% Statorerdschluss-Schutz: Dual-Technologie-Fusion-Positionierung

Traditioneller Grundfrequenz-Nullsequenz-Spannungsschutz zeigt Blindschichten in der Nähe des Neutralpunkts. Diese Lösung kombiniert zwei reifende Technologien, um eine 100%-ige Schutzabdeckung vom Terminal bis zum Neutralpunkt zu erreichen.

• ​Technische Prinzipien:
• Konventionelle Zone (85–95%): Nutzt das Verhältnis der Drittharmonischen Spannung, um den größten Teil der Statorwicklung vom Neutralpunkt zum Terminal zu schützen.
• Blindschicht-Kompensation (nahe dem Neutralpunkt, 5–15%): Setzt injektionsbasierten Statorerdschluss-Schutz ein. Ein Niederfrequenzsignal (20 Hz oder 12,5 Hz) wird in den Rotorkreis eingespeist, und Änderungen des Injektionsstroms werden überwacht, um die Isolationswiderstände und die Fehlerposition genau zu berechnen, was Blindschichten nahe dem Neutralpunkt vollständig beseitigt.
• ​Leistungsmerkmale:
• 100% Abdeckung: Keine Blindschichten, um den vollen Schutz der Statorwicklung zu gewährleisten.
• Genauere Lokalisierung: Genauere Bestimmung der Erdschlusspositionen für gezieltes Wartungsvorgehen.
• ​Fallstudie: In einem Kernkraftwerk gelang es der Lösung, einen Erdschluss nur 3 % vom Neutralpunkt entfernt mit weniger als 1 % Fehler zu lokalisieren, was geplante Wartungsmaßnahmen ermöglichte und unvorhergesehene Stilllegungen verhinderte.

3.3 Für die Gesundheit des Rotorkreises: Dynamische Überwachung und frühzeitige Warnung

Rotorkreisfehler, insbesondere offene rotierende Dioden, sind häufige verborgene Gefahren. Diese Lösung wechselt von "Nach-Fehler-Schutz" zu "Vor-Fehler-Warnung" durch Echtzeitüberwachung.

• ​Technische Prinzipien:
• Hochfrequenz-Stromwandler (CTs) oder dedizierte Überwachungsmodule, die an den Gleitringen installiert sind, sammeln Echtzeit-Anregungsstromwellenformen.
• Eingebaute Algorithmen führen eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) Harmonische Analyse des Stroms durch.
• Offene rotierende Dioden verursachen eine erhebliche Verzerrung der Anregungsstromwellenform, was charakteristische Harmonische (z.B. das fünfte Harmonische) signifikant erhöht.
• ​Leistungsmerkmale:
• Frühwarnung: gibt Warnungen basierend auf harmonischen Inhalten, die Schwelle überschreiten (z.B. das fünfte Harmonische übersteigt 8%), und fördert Wartungsprüfungen an der rotierenden Gleichrichterbrücke, bevor Fehler auftreten.
• Verhinderung der Eskalation: Frühzeitige Warnungen verhindern schwere Unfälle wie Isolierungsschäden durch Verlust des Anregungsstroms und Überhitzung des Rotors.
• Zustandsbasierte Wartung: Bietet kritische Daten für vorhersagbare Wartung.

4. Zusammenfassung und Wert

Diese mikroprozessorbasierte Schutzlösung integriert fortschrittliche Sensortechnologien, Signalverarbeitungsalgorithmen und mehrkriterielle intelligente Entscheidungsfindung, um traditionelle Schmerzpunkte im Generatorschutz anzugehen:

• Beseitigt Schutzblindschichten und erreicht 100% Abdeckung für Spulen-zu-Spulen-Kurzschlüsse und Erdschlüsse.
• Transformiert den Nach-Fehler-Schutz in Vor-Fehler-Warnung und verhindert effektiv Fehler durch dynamische Rotorüberwachung.
• Validiert durch realweltliche Fälle bietet die Lösung hohe Empfindlichkeit, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit und erfüllt die Sicherheitsanforderungen großer und riesiger Generatoren (500 MW und darüber).